Atom’u tanıyalım…! (Let’s learn about Atom…!)

Bohrs_atomNeils  Bohr’un Nitrojen  atomu  modeli.

(Kaynak: Britannica.com) 

Atomu  Matt  Williams’la  biraz  tanıyalım…  Williams, “universetoday.com”da  15  Aralık  2015  tarihinde  yayımlanan  bir  yazısıyla  bu  konuya  biraz  açıklık  getirdi…

Maddenin  gözle  görünemeyen  (ve  daha  küçük  parçalara  bölünemeyen) küçük  parçacıklardan  oluştuğu düşüncesinin  tarihi  oldukça  eskiye  dayanıyor…

Atom  için  yaygın  şekilde  kabul  görecek  bir  model  oluşturulması  ise ancak  yirminci  yüzyıla  gelindiğinde  mümkün  olabildi…

Son  on  yılda  ise, varlığı  teorik  olarak  ileri  sürülen atomaltı (subatomic)  parçacıkların  neredeyse  tamamının doğrulanması  mümkün  olabildi…

Bugünkü  araştırmalar  maddenin yapı  ve  fonksiyonunu  atomaltı  seviyede incelemekle  kalmayıp, onları  yöneten  kuvvetlerin  anlaşılmasına  da  odaklanmış  durumda…!  Bu  kuvvetler   “güçlü nükleer  kuvvetler” (strong nuclear forces), “zayıf  nükleer  kuvvetler” (weak nuclear forces), “elektromanyetizma” (electromagnetism)  ve “kütleçekimi” (gravity)…

Günümüzün  Standart (Parçacık) Modelinde  bir  atom   pozitif  yüklü (positive  charge)  proton, negatif  yüklü elektron  ve  yüksüz  nötrondan  oluşmakta…Protonlar  ve  nötronlar  atomun  çekirdeğini  oluştururken, elektronlar  ise, çekirdeği  saran   bir  “bulut”  içinde  yer  almakta…

Bir  atomun  içinde, elektromanyetik  kuvvet elektronları  protonlara  doğru  çeker…Dışarıdan  bir  enerji  uygulandığı  taktirde  elektronların  bu  elektromanyetik  kuvveti  yenerek, yörüngelerinden  (buluttan) ayrılarak  atomdan  uzaklaşmaları  mümkündür… 

Bir  elektron çekirdeğe  ne  kadar  yakın  bir  yörüngede  dolanırsa, bu  elektronla çekirdek  arasındaki  çekim  gücü  de  o  kadar  büyüktür… Dolayısıyla,  bu  (yakın)  elektronu  atomdan  koparmak  için  o  kadar  daha  büyük  enerjiye  ihtiyaç  olacaktır…

Elektronlar  çekirdeklerin  etrafında,  belirli  enerji  seviyelerini  gerektiren  yörüngelerde  dolanır…  Bir  elektron, bir  üst  enerji  seviyesine (kuantum  durumuna-quantum  state)  ulaşması  için  gerekli enerjiye  sahip  bir  fotonu  absorblayarak, daha  yüksek  enerji  seviyesine  ulaşabilir…

Tersine  olarak, bir  elektron  sahip  olduğu  enerjinin  bir  kısmını  foton  halinde  yayımlayarak (foton radyasyonu) daha  düşük  enerji  seviyesindeki  bir  yörüngeye  transfer  olabilir…

Atomlar, eşit  miktarda  elektron  ve protona  sahipse, elektriksel  olarak  nötrdür… Elektron  eksiği  veya  fazlası  bulunan  atomlara  iyon  adı  verilmiştir… Çekirdekten  en  uzak  konumda  dolanan  elektronlar komşu  başka  atomlara  transfer  olabilir  veya komşu  bir  atomla  ortak  olarak  kullanılabilir… Bu  mekanizma  ile  atomlar  birleşerek  molekülleri  veya  başka bileşikleri  oluşturabilir…

Elementer (elektronlar)  veya   protonlar  ve  nötronlar  gibi kompozit  olan  bu  üç  atomaltı  parçacığa  “fermion”lar  adı verilmiştir…  Elektronların  (henüz)  bilinen  bir iç  yapısı  mevcut  değilken, protonların  ve  nötronların   “kuark” (quark)  adı  verilen  atomaltı  parçacıklardan  oluştuğu  bilinmektedir..

Atomlarda   çok  küçük  elektrik  şarjı  mevcut  olan  “kuark”ların   da  iki  farklı  tipinin  mevcut  olduğu belirlendi…

Protonların  bünyesinde  (+2/3)  şarjlı  iki  adet  “up” kuark  ve  (-1/3)  şarjlı  bir  adet “down”  kuark  mevcut  iken,  nötronların  bünyesinde  ise  bir  adet  “up”  kuark  ile    iki  adet “down”  kuark  mevcuttur…

Bu  mevcut  kuarkların  elektriksel  yükleri  o  parcacığın  sahip  olduğu  nihai  yükü  de  belirler… Elktronların  yükü “-1”dir…!

Fermiyonlarla  birleşerek  maddenin  yapıtaşlarını  oluşturan  diğer atomaltı parçacıklar  içinde  “Lepton”lar yer  alır… Mevcut atom  modelinde  elektron, muon  ve  tau adı  verilen   parçacıklar  ile  bunların “ilişkili”  nötrinolarından  oluşan altı  adet  lepton  mevcuttur…

Leptonların  “flavor”  adı  verilen  farklı  durumları (variety)  bunların  elektromanyetik  etkileşim  seviyelerini etkileyen  büyüklük ve  şarjları  ile   ayrıştırılır…

Atomaltı  parçacıklar  içinde, fiziksel  kuvvetleri  oluşturan  ve   “kuvvet  taşıyıcıları” (force  carriers)  olarak  adlandırılan  “gauge Boson”lar  da  mevcuttur…

Örnek  olarak,  “gluon”lar  kuarkları  bir  arada  tutan “güçlü  nükleer  kubvveti” oluştururken, W ve  Z  bozonlarının,  elektromanyetizmin  arkasındaki zayıf  nükller  kulvveti  oluşturduklarına  inanılmaktadır…

Fotonlar ışığı  oluşturan  elementer  parçacıklar  iken, varlığı  yakın  geçmişte  ispatlanan “Higgs  Bozonu”  ise W  ve  Z  parçacıklarına  kütle  kazandıran  parçacıktır…!

Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg_

Standard  Parçacık Modelinde elementer parçacıklar.

Bir  atomun  kütlesinin  büyük  kısmı çekirdeğindeki  protonlar  ve  nötronlar  tarafından  oluşturulur… Elektronlar        9.11 x 10-31 kg    kütleleriyle atomun  en küçük  kütleli olan  ve  bugünkü teknik  imkanlarla   doğrudan  görüntülenmesi  mümkün  olamayan   parçalarıdır…

Bir  protonun  kütlesinin elektronun  kütlesinin 1836  katı  olduğu  ölçüldü…!  Protonun  kütlesi 1.6726×10-27 kg, nötronun  kütlesi  ise  (elektronun 1839  katı)  1.6929×10-27 kg’dır…

Bir  atomun çekirdeğindeki  toplam  proton  ve  nötron  sayısı onun  “kütle  numarası”nı  oluşturur…  Bir  örnek  olarak, Karbon-12  elementinin  çekirdeğinde  altı  adet  proton  ve  altı  adet  nötron   olmak  üzere  12  adet  “nucleon” (proton  ve  nötron)  mevcuttur…

Atomlar  Periyodik  Tabloda  “atom  numarası”na  göre  dizilir  ki,  bu  numara aynı  zamanda  çekirdekteki  proton  sayısıdır…!  Karbonun  “atom  numarası”  6’dır…

Statik  durumdaki (atom  at  rest)  bir  atomun kütlesini  ölçmek  çok  zordur…  Kütlesi  çok  büyük  olan  atomlar  bile mevcut  ölçü  birimleriyle tanımlamak için  çok  hafiftir…   Bilim  insanları doğal  bir  atom olan  Karbon-12’nin  kütlesininin  on  ikide  biri  olan  1.66×10-27 kg’ı   “atom  kütle  birimi” (unified atomic mass unit (u)  veya dalton (Da))  olarak  kullanır…  Kimyacılar, her  zaman  aynı  sayıda atom  barındıran  “mol”ü (moles;   6.022×1023  atom)  ölçü  birimi  olarak  kullanır…

Bu  durumda,  atomik  kütlesi  “1 u”  veya  “1 mol”  olan  bir  elementin  kütlesi  yaklaşık  “1  gram”  kadardır…! Her  bir  Karbon-12  atomunun “atomik  kütlesi”  12u  kadardır.  Bu  durumda, Karbon-12 atomunun “1  mol”ü  tam  olarak 0.012  kilogramdır…

Aynı  miktarda  protona  sahip  olan iki  atom  aynı  kimyasal  elemente  aittir… Fakat, eşit  miktarda  protona  sahip  olan atomların  çekirdeklerinde  farklı  sayıda   nötron  mevcut  olabilir… Bunlara  aynı  elementin   farklı   “izotopları”  denir…   Genelde kararsız (unstable)  durumda  bulunan  bu  izotoplardan atom numarası    82’den  büyük  olanlar  “radyoaktif”  olarak  bilinmektedir…


fission

Uranyum  izotoplarının   alfa-beta bozunması.

(Kaynak: energy-withoutcarbon.org)

Bir  element bozunmaya (decay)  başladığında  çekirdeği radyasyon  yayımlayarak  enerji  kaybeder…  Bu  radyasyon  Helyum  atomlarından  oluşan   “alfa”  parçacıkları,  pozitronlardan  oluşan “beta”  parçacıkları,   yüksek  frekanslı  elektromanyetik  enerji  olan  gama  ışınları   ve  dönüşüm  elektronlarıdır (conversion  electrons) … (Gerçekte,  “beta  bozunması”  için  iki  süreç  sözkonusudur:  Bunlardan  birincisi “beta minus”  bozunması  olup, nötron proton,  elektron  ve antinötrinoya  bozunur…!  İkincisi  olan  “beta  plus”  bozunmasında  ise  proton nötron, pozitron  ve  nötrinoya  dönüşür…)

Bir  radyoaktif  elementin bozunma  hızına  “yarı-ömür” (half-life) adı  verilmiştir…  Bir  “yarı-ömür”  bu  elementin  başlangıçtaki  kütlesinin  yarısı  kalıncaya  kadar, bozunması için  geçen  süredir…

Bir  izotobun  kararlılığı  protonların  nötronlara  oranından  etkilenir…  Dünyada  doğal  olarak  oluşan  339  elementten 254’ü, (kendi  kendine  çözünmeyen,)  “kararlı  izotoplar”  olarak tanımlanmıştır…  Dünyada, ilave  olarak mevcut  olan  34  radyoaktif  element  (promordial  elements) Güneş  Sisteminin ilk  oluşum  döneminden  beri  mevcuttur…!

Son  olarak, Dünyada kısa-ömürlü olarak  tanımlanan ve  doğal  olarak  ortaya  çıkan,  51  ilave  element  daha  mevcuttur…     Bu  elementler   Uranyumun  Radyuma  dönüşmesi  gibi, nükleer  reaksiyonların  yan  ürünü  olarak  ortaya  çıkar… Bu “yan-ürün”  elementler  kozmik  ışınların  atmosferi  bombalaması  esnasında  ortaya  çıkan  Karbon-14  gibi, başka  bir  doğal  süreç  esnasında  da  ortaya  çıkabilmektedir…

*

Atom  teorisinin  ilk  örnekleri eski  Yunan  ve Hindistandan  geldi…!   Luecippus  gibi  filozoflar maddenin bölünemez  çok  küçük  parçacıklardan  oluştuğunu  ileri  sürdü…  “Atom”  kelimesi eski  Yunanda  ortaya  çıktı  ve  “atomism” (düşünce)  okulunun  doğmasına  yol  açtı…!  Bu, bilimsel  olmaktan  ziyade,   bir “felsefi”  düşünce  tarzıydı…

Atom  hakkındaki  teorinin, ilk   kanıta-dayalı  deneyler  gerçekleştirilerek,  bilimsel  bir  konu  olarak  ele  alınması  ancak  19.  Yüzyılda mümkün  olabildi… Bir  örnek  olarak, 1800’lü  yılların  başlarında,  İngiliz  bilim  insanı John  Dalton kimyasal  elementlerin   gözlenebilir  ve  önceden  tahmin  edilebilir  yollarla  gerçekleşen  reaksiyonlarını  açıklamada atom  modelini  kullandı…!

Dalton, elementlerin  neden “tam  sayılar”ın  oranlarıyla reaksiyona  girişlerini  sorgularken, bunun  altında  “atom”ların  yatmakta  olduğu  sonucuna  vardı…!

Gazları  da  içeren  bir  seri  deney  sonunda  Dalton, modern  fiziğin  ve  kimyanın  temel  taşı  olarak  kabul  edilen “Dalton’un  Atom  Modeli”ni geliştirdi…!

Dalton’un  “atom”  modeline  göre,  elementler  atomlardan oluşur… Bir  elementin  tüm  atomları  birbirinin  aynısıdır… Farklı  elementlerin  atomları “atom  ağırlıkları”na  göre ayırdedilebilir…Elementlerin  atomları  kimyasal bileşikleri  oluşturmak  üzere  birleşirler… Atomlar  kimyasal  reaksiyonlarla yaratılamaz  veya  yok  edilemezler;  sadece yeni  gruplar  oluştururlar…

Bilim  insanları, 19. Yüzyılın  sonlarına  doğru, atomların  birden  fazla temel “birim”den  (unit)   oluştuğunu ileri  sürmeye  başladı…  Ancak,  birçok  bilim  insanı bu  “birim”in  bilinen  en  küçük  atom  olan  Hidrojen  Atomu  kadar  olabileceğini  ileri  sürdü… 1897’ye  gelindiğinde,  birçok  deney  gerçekleştirdikten  sonra,  fizikçi J. J. Thompson    hidrojen  atomundan 1000  defa  daha  küçük  ve 1800  defa  daha  hafif  olan  bir  “birim”i  keşfettiğini  duyurdu…!

Onun  deneylerinde  ölçtüğü  parçacıklar   fotoelektrik  etki (photoelectric effect)   deneylerinde  belirlenen   ve radyoaktif  maddelerden  açığa  çıkan parçacıklara  denkti…!

Daha  sonra  yapılan  deneylerde  bu  parçacığın,  atomlar  içinde  negatif  yükü  ve   elektrik  telleriyle  elektrik  akımı  taşıdığı  anlaşıldı…  Bu  parçacığa  başlangıçta “corpuscle”  denmesinden  sonra, adının “elektron”  olarak  değiştirilmesinin  sebebi  buradan  gelmekte…

Thompson,  elektronların  atomun  pozitif  şarjlı denizinde  üniform  olarak yayıldığını  da  ileri  sürdü…

Fizikçi Hans  Gieger  ve Ernest  Marsden’in, Ernest  Rutherford’un  nezareti  altında, 1909’da  gerçekleştirdikleri   (metal  folyo/alfa  parçacıkları) deneyler  sonunda,  “Üzümlü  Puding  Modeli” (plum  pudding  model) olarak  anılan  bu  modelin  yanlış  olduğu  anlaşıldı…!

Bu araştırmacılar  Dalton’un  atom  modeli  ile  uyumlu  olarak, alfa  parçacıklarının folyonun  içinden  küçük  bir  sapma  ile  geçtiğini düşündüler… Ancak, birçok  parçacığın 90  dereceden  daha  büyük  açılarla  saptığı  görüldü…!  Bunu  izah  etmek  üzere Rutherford, atomun  pozitif  yükünün merkezdeki  çok  küçük  bir  çekirdekte  yoğunlaştığını  ileri  sürdü…

1913’te fizikçi  Niels  Bohr  elektronların çekirdeğin  etrafında  ve belirli  sayıdaki  yörüngelerde  dolandığını  ileri  sürdü… Bohr  ayrıca, elektronların  foton  absorblayarak  veya ışıyarak, yörünge  değiştirebileceklerini  de  ileri  sürdü…

Bohr’un  bu  açıklaması  Rutherford’un  önerdiği modeli  geliştirmekle  kalmadı,  “maddenin  birbirinden  ayrı  paketler  halinde   davrandığı”  konseptini  de  doğurdu…    

Kütle  spektrometresinin  icadıyla  birlikte,  atomun  kütlesini  daha  hassas  bir  şekilde  ölçmek  mümkün  oldu… Bu  ekipmanı  kullanan  kimyacı  Francis  William Aston  izitopların  farklı  kütlelerinin  olduğunu  gösterdi…!

Fizikçi   James  Chadwick, 1932’de, nötronun  bilinen  izotopları  açıklamada  bir  araç  olduğunu ileri sürdü…!

20. yüzyılın  başlarında atomun “tanecikli” (quantum) yapısı  daha  da  geliştirildi… 1922’de, Alman  fizikçiler   Otto  Stern  ve Walther Gerlach, bir  manyetik alana  gönderdikleri  gümüş  atomlarının   açısal  momentumlarını  göstermek  için  deneyler  gerçekleştirdi…  “Stern-Gerlach  Deneyi” (Stern-Gerlach Experiment)  olarak  bilinen  bu  deneyde, atom  ışınının (beam), atomların” spin”inin  yukarı  veya  aşağı  yönlendirilmesine  bağlı  olarak , ikiye  ayrıldığını gösterdiler…

1926’da, fizikçi  Erwin Scrodinger     elektronların   dalga  olarak  hareketlerini  kullanarak, elektronların  sadece  parçacıklar  olmayıp,    üç  boyutlu dalga-formları (waveform) olduklarını kabul  eden  bir matematik  model  oluşturdu…

Bu  modelde, parçacıkların  hareketini  dalga-formlarıyla  ifade  etmenin  sunucu  olarak,  bir  parçacığın  belirli  bir  andaki  pozisyonu  ve  momentumunu kesin  bir  şekilde  belirlemek imkansız  hale  geliyordu…!

Aynı  yıl, Werner Heisenberg  bu  problemi   “belirsizlik  problemi”  (uncertainity  problem)  olarak  tanımladı… Heisenberg’e  göre, belirli  bir  “pozisyon  ölçümünde”  momentum için   ancak  “olası  değerler”  tanımlanabilir…!

1930’larda,  fizikçiler  nükleer  fisyonu  keşfetti…   Otto Hahn   tarafından  gerçekleştirilen  deneylerde, yeni  bir  element (transuranium element)  keşfi  amacıyla, Uranyum 92  atomları  üzerine  nötrinolar  yöneltilince,  Baryum 56  ve Krypton 27  elde  edildi…!


radioative-decay-U238-alphadecay

Uranyum 92’nin  nükleer  fisyonu.

(Kaynak: physics.stackexchange.com)

Lise Meitner   ve  Otto Frisch  tarafından  doğrulanan  bu  deneyde  uranyum  atomlarının  aynı  toplam atom  ağırlığına  sahip  iki  ayrı  elemente  ayrıştığı,  ayrıca, bu  süreçte  atomik  bağların  parçalanması  esnasında önemli  miktarda  enerjinin  açığa  çıktığı  anlaşıldı…!

Takibeden  ylllarda  araştırmalar   bu  sürecin  atom  bombası  yapımında  kullanılmasına  yoğunlaştı…!  İlk  atom  bombası  1945  yılında  geliştirildi…!

1950’li  yıllarda parçacık  hızlandırıcılarının  ve  parçacık dedektörlerinin  geliştirilmesiyle bilim  insanları daha  yüksek  hızlı  atom  çarpışmalarını  izleme  imkanına  kavuştu… Bundan  da,  çekirdeklerin özelliklerini,  atomaltı  parçacıkları   ve bunların  etkileşmesini  sağlayan  kuvvetleri    açıklayan  Standart  Parçacık  Fiziği  Modeli  geliştirildi…

2012’de  Higgs  Bozununun  varlığı  CERN  deneyleriyle  doğrulandı…  Geçen  son  on  yılda, kütleçekimi, kuvvetli  ve  zayıf nükller  kuvvetler  ile  elektromanyetik  kuvvetin birlikte etkileşmesini  öngören    “Birleştirilmiş  Alan  Teorisi” (Unified  Field  Theory) üzerinde  önemli  araştırmalar  yapıldı…

“Kütleçekimi (gravity)  Teorisi”  Einistein’in görecelik  teorisi  ile  ve  nükleer  kuvvetler  ile  elektromanyetizma “Kuantum  Teorisi”  ile  anlaşılabilirken, bu  teorilerin  hiç  biri  (henüz)  bu  dört  kuvveti  birlikte açıklayamamakta/bütünleştirememekte…!  Bu  çözüm  için Sicim  Teorisi (String  Theory), “Loop  Quantum  Gravity”  gibi  yeni  teoriler  geliştirilmekte  ise  de,  bu  teorilerin  hiç  biri  henüz bu  sahadaki  ihtiyacı  karşılayamadı…

Atomun  anlaşılması  hususunda birçok  bilinmeyene  açıklık  kazandırılırken  birçok  yeni  (ve  daha  zorlayıcı) sorulara  da  kapılar  açılmış  oldu…

Ne  yapalım…bilim  böyle  gelişiyor…!

 

Yararlanılan  Kaynaklar:

https://www.youtube.com/watch?v=N-FfVLOBccI

 http://www.universetoday.com/82128/parts-of-an-atom/

 

 

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s